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Ann-Christin Köllner
Nah-Infrarot Kamera auf Basis von Germanium Photodetektoren in CMOS-Technologie
Der Trend nach einer intelligenten und automatisierten Produktion erzeugt eine steigende Nachfrage nach kosteneffizienten und leistungsstarken Nah-Infrarot (NIR) Kameras, da mit Hilfe solcher Kameras ressourcensparende und wirtschaftliche Produktionsmethoden realisiert werden können. Bis heute hat sich jedoch kein Detektormaterial für NIR Kameras etabliert, welches die Kosten- und Leistungsanforderungen dieser Anwendungen erfüllt.
Diese Arbeit realisiert, vergleicht und bewertet verschiedene Germanium (Ge) NIR Kamerakonzepte bestehend aus Detektor, analoger Ausleseschaltung, Analog-Digital-Wandlung, digitaler Signalverarbeitung und Computerschnittstelle.
Eine Materialanalyse verschiedener NIR Detektormaterialien zeigt Vorteile von Ge hinsichtlich des Herstellungsverfahrens auf. Durch die bereits etablierte Integration des Ge Detektors auf Silizium und der CMOS Kompatibilität ergibt sich die Basis für eine kosteneffiziente Herstellung.
Die Performanz zweier Ge Detektortypen wird analysiert und auf deren Erkenntnisse ein angepasstes Auslese- und Systemkonzept konzipiert. Ein rückseitenbeleuchteter Detektor erweist sich im Vergleich zur vorderseitenbeleuchteten Photodiode unter anderem durch den verbesserten Füllfaktor als erfolgversprechende Lösung. Die Übertragbarkeit der drei Silizium-basierten Auslesekonzepte in die Anwendung wird verifiziert und erweitert den Stand der Technik um zwei weitere Auslesekonzepte auf Basis von Ge Photodetektoren. Alle drei Schaltungen adressieren die Schwachstellen des Detektors. Anhand experimenteller Ergebnisse lässt sich die Funktionsfähigkeit von zwei prototypischen Kameras zeigen. Beide demonstrieren vielversprechende und erfolgreich umgesetzte Systemkonzepte für eine kostengünstige und leistungsstarke NIR Kamera mit Ge Detektoren.
Diese Arbeit realisiert, vergleicht und bewertet verschiedene Germanium (Ge) NIR Kamerakonzepte bestehend aus Detektor, analoger Ausleseschaltung, Analog-Digital-Wandlung, digitaler Signalverarbeitung und Computerschnittstelle.
Eine Materialanalyse verschiedener NIR Detektormaterialien zeigt Vorteile von Ge hinsichtlich des Herstellungsverfahrens auf. Durch die bereits etablierte Integration des Ge Detektors auf Silizium und der CMOS Kompatibilität ergibt sich die Basis für eine kosteneffiziente Herstellung.
Die Performanz zweier Ge Detektortypen wird analysiert und auf deren Erkenntnisse ein angepasstes Auslese- und Systemkonzept konzipiert. Ein rückseitenbeleuchteter Detektor erweist sich im Vergleich zur vorderseitenbeleuchteten Photodiode unter anderem durch den verbesserten Füllfaktor als erfolgversprechende Lösung. Die Übertragbarkeit der drei Silizium-basierten Auslesekonzepte in die Anwendung wird verifiziert und erweitert den Stand der Technik um zwei weitere Auslesekonzepte auf Basis von Ge Photodetektoren. Alle drei Schaltungen adressieren die Schwachstellen des Detektors. Anhand experimenteller Ergebnisse lässt sich die Funktionsfähigkeit von zwei prototypischen Kameras zeigen. Beide demonstrieren vielversprechende und erfolgreich umgesetzte Systemkonzepte für eine kostengünstige und leistungsstarke NIR Kamera mit Ge Detektoren.
Schlagwörter: NIR Kamera; Germanium; Silizium; Photodiode; Auslesekonzepte; CMOS-Technologie; ASIC; Charakterisierung von Germanium Photodetektoren
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